趙海嵐, 李 冰, 王昌全, 龍思帆, 李 斌, 鮮順志, 曾林浩, 肖美娟, 劉奇鑫

兩種生物質(zhì)炭對(duì)酸性紫色土腐殖質(zhì)組成的影響*

趙海嵐1, 李 冰1**, 王昌全1, 龍思帆1, 李 斌2, 鮮順志1, 曾林浩1, 肖美娟1, 劉奇鑫1

(1. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院 成都 611130; 2.中國(guó)煙草總公司四川省公司 成都 610041)

生物質(zhì)炭的性狀與原料中木質(zhì)纖維含量密切相關(guān), 為探明不同原料生物質(zhì)炭對(duì)土壤腐殖質(zhì)組成的影響, 選取玉米秸稈和紫莖澤蘭分別作為纖維類(lèi)和木質(zhì)類(lèi)原材料制備生物質(zhì)炭, 向酸性紫色土分別添加5%玉米秸稈生物質(zhì)炭(MB)和5%紫莖澤蘭生物質(zhì)炭(EB), 測(cè)定90 d室內(nèi)培養(yǎng)期間土壤胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、胡敏素(HM)含量以及HA光學(xué)性質(zhì)和元素組成變化。結(jié)果表明: MB和EB的比表面積分別為2.32 m2×g-1和0.72 m2×g-1, 總孔體積分別為42.71 mm3×g-1和12.59 mm3×g-1, 碳與氫元素摩爾比(C/H)分別為1.91和1.46, 氧、硫之和與碳元素摩爾比[(O+S)/C] 分別為0.09和0.16, 玉米秸稈生物質(zhì)炭的吸附能力更強(qiáng)、有機(jī)質(zhì)成分的縮合度更大且氧化度更小。與對(duì)照(不添加生物質(zhì)炭, CK)相比, 培養(yǎng)結(jié)束后, 施入生物質(zhì)炭的土壤HA、FA和HM含量分別顯著增加(<0.05)65.59%~102.82%、85.87%~118.54%和137.25%~161.23%, MB處理對(duì)這3種腐殖質(zhì)含量的增加效應(yīng)較EB處理更明顯。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)添加生物質(zhì)炭的土壤HA/土壤有機(jī)碳(SOC)降低13.53%~27.06%, FA/SOC降低6.81%~18.03%, 其中EB處理的降低效應(yīng)達(dá)顯著水平; HM/SOC則增加4.58%~11.40%, 其中MB處理的增加效應(yīng)達(dá)顯著水平。添加生物質(zhì)炭的土壤HA色調(diào)系數(shù)(Δlg)增加2.40%~5.60%, HA的縮合度(C/H)降低3.51%~11.81%, (O+S)/C增加1.51%~8.74%。總體來(lái)看, 施入生物質(zhì)炭均能相對(duì)增加腐殖質(zhì)各組分含量, 降低C/H, 提高HA的氧化度[(O+S)/C], 且纖維類(lèi)原料(玉米秸稈)生物質(zhì)炭的效果更明顯。纖維類(lèi)原料(玉米秸稈)生物質(zhì)炭顯著提高了穩(wěn)定性較高的土壤胡敏素碳比例(HM/SOC), 但降低了土壤HA的穩(wěn)定性[HA的C/H降低, (O+S)/C增加]; 木質(zhì)類(lèi)原料(紫莖澤蘭)生物質(zhì)炭顯著降低土壤胡敏酸碳比例(HA/SOC)和富里酸碳比例(FA/SOC), 對(duì)HM/SOC增加效益不顯著, 反之提高了土壤易分解有機(jī)碳比例。

玉米秸稈生物質(zhì)炭; 紫莖澤蘭生物質(zhì)炭; 腐殖質(zhì)組成; 腐殖質(zhì)穩(wěn)定性; 腐殖質(zhì)碳

生物質(zhì)炭作為一種土壤改良劑, 能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)[1], 增強(qiáng)土壤肥力[2], 促進(jìn)植物生長(zhǎng), 提升農(nóng)作物產(chǎn)量[3], 同時(shí)也能提高土壤碳庫(kù)儲(chǔ)量, 減少溫室氣體的排放[4-5]。由于生物質(zhì)炭性狀、施用量的不同, 以及土壤類(lèi)型、氣候等條件差異, 生物質(zhì)炭對(duì)土壤有機(jī)碳分解存在促進(jìn)(正激發(fā)效應(yīng))、抑制(負(fù)激發(fā)效應(yīng))和無(wú)影響3種效應(yīng)[6], 研究結(jié)論各不相同, 有些甚至完全相反[7-10]。因此, 在施用不同原料生物質(zhì)炭的條件下, 分析酸性紫色土有機(jī)碳穩(wěn)定性的變化狀況, 對(duì)探明生物質(zhì)炭對(duì)土壤碳匯碳排效應(yīng)有重要參考價(jià)值。

土壤腐殖質(zhì)占土壤有機(jī)質(zhì)的50%~70%, 主要分為胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、胡敏素(HM)3個(gè)基本成分[11], 一般與礦質(zhì)顆粒結(jié)合形成可增強(qiáng)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體[12], 是土壤有機(jī)碳中較為穩(wěn)定的部分, 用于表征土壤有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化進(jìn)程中土壤碳庫(kù)的穩(wěn)定性[13], 其變化直接影響土壤有機(jī)碳的循環(huán)和轉(zhuǎn)化[14]。研究表明, 生物質(zhì)在熱解過(guò)程中生成大量與土壤腐殖質(zhì)特性相似的類(lèi)腐殖質(zhì)(堿提取酸不溶物、堿提取酸溶物和堿提取殘?jiān)?, 吸附在生物質(zhì)炭表面進(jìn)入土壤[15-16], 并且土壤微生物可將生物質(zhì)炭中的異質(zhì)化學(xué)特性的脂肪族和氧化態(tài)碳結(jié)構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[17-18], 可引起土壤腐殖質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[19-20]?，F(xiàn)有研究結(jié)果顯示, 生物質(zhì)炭對(duì)土壤腐殖質(zhì)的作用很大程度取決于本身的性狀,而生物質(zhì)炭的性狀與原材料中木質(zhì)纖維含量密切相關(guān)[21], 但目前尚缺乏詳實(shí)的數(shù)據(jù)探明纖維類(lèi)和木質(zhì)類(lèi)原料生物質(zhì)炭對(duì)土壤腐殖質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的作用, 以及這種作用可能對(duì)土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。玉米()秸稈是最常見(jiàn)的農(nóng)業(yè)廢棄物, 具有較高的纖維素含量[22]; 而紫莖澤蘭(, 多年生亞灌木類(lèi)植物)與木屑等木質(zhì)原料有近似的化學(xué)組成, 木質(zhì)素含量較高[23], 其作為入侵植物, 亟待開(kāi)發(fā)利用。為此, 本研究選取兩者分別作為纖維類(lèi)和木質(zhì)類(lèi)原材料, 以酸性紫色土為供試土壤, 通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn), 探究土壤腐殖質(zhì)組分含量和HA結(jié)構(gòu)變化情況對(duì)生物質(zhì)炭投入的響應(yīng), 從分析土壤腐殖質(zhì)組成及穩(wěn)定性的角度探明兩種生物質(zhì)炭對(duì)酸性紫色土有機(jī)碳穩(wěn)定性的影響, 為選取適宜生物質(zhì)炭提高土壤肥力、增加土壤碳匯提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自四川省樂(lè)山市沐川縣永福鎮(zhèn)雙河村(28°52′N(xiāo), 103°55′E)。該地區(qū)土壤類(lèi)型為夾關(guān)組母巖發(fā)育的酸性紫色土, 海拔為716 m。耕地主要種植玉米、小麥()等農(nóng)作物, 地帶性植被為常綠闊葉林。土壤采集時(shí)間為2018年5月14日, 采集深度為0~20 cm耕作層, 土壤pH為4.82, 有機(jī)碳含量19.72 g×kg-1, 全氮1.10 g×kg-1, 堿解氮143.81 mg×kg-1, 速效鉀92.84 mg×kg-1, 有效磷6.57 mg×kg-1, 陽(yáng)離子交換量19.72 cmol×kg-1。

1.2 供試生物質(zhì)炭

供試生物質(zhì)炭原料為玉米秸稈(纖維素含量42.78%, 木質(zhì)素含量5.69%)和紫莖澤蘭(纖維素含量20.52%, 木質(zhì)素含量35.24%), 其中玉米秸稈采集于2017年11月17日, 紫莖澤蘭采集于2017年12月21日。將原材料洗凈后晾干粉碎過(guò)10目篩, 然后稱取一定量置于剛玉坩堝里, 用錫箔紙包好, 放置于馬弗爐(YMOTO-FO810C)中, 采用間歇式熱裂解工藝, 調(diào)節(jié)熱解溫度為600 ℃, 設(shè)置升溫速度為10 ℃×min-1, 加熱前通入氮?dú)馀懦隣t內(nèi)空氣, 在高純度氮?dú)猸h(huán)境下炭化1 h, 分別制得玉米秸稈生物質(zhì)炭和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭。兩種生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試兩種生物質(zhì)炭的基本理化性質(zhì)

1.3 室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)

采用室內(nèi)培養(yǎng)方法, 稱取500 g酸性紫色土于1 L密閉培養(yǎng)瓶中, 設(shè)3個(gè)處理: 不添加生物質(zhì)炭(CK)、添加5%玉米秸稈生物質(zhì)炭(MB)和添加5%紫荊澤蘭生物質(zhì)炭(EB), 每個(gè)處理重復(fù)3次。將土壤與生物質(zhì)炭混合均勻后, 調(diào)節(jié)水分至田間持水量的60%, 并在培養(yǎng)瓶中放置1個(gè)裝有50 mL去CO2水的燒杯維持瓶?jī)?nèi)空氣飽和濕度, 然后將培養(yǎng)瓶加蓋密封, 在室溫25 ℃條件下進(jìn)行恒溫培養(yǎng), 利用重量法在培養(yǎng)過(guò)程中定期補(bǔ)充土壤水分。于培養(yǎng)第1 d、3 d、5 d、7 d、15 d、30 d、60 d和90 d采集土壤樣品, 用于理化性質(zhì)分析。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

玉米秸稈與紫莖澤蘭中纖維素和木質(zhì)素含量參考趙文霞等[22]采用的方法進(jìn)行測(cè)定, 生物質(zhì)炭的比表面積、總孔體積參考郭曉慧等[24]的方法, 采用全自動(dòng)比表面積與孔徑分析儀(quantachrome instruments)測(cè)定, 產(chǎn)率(%)=生物質(zhì)炭質(zhì)量(g)/原材料質(zhì)量(g), 灰分參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12496.4—1999方法測(cè)定[25], pH參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12496.7—1999方法測(cè)定[26], 陽(yáng)離子交換量采用火焰分光光度計(jì)測(cè)定[27], 元素含量采用有機(jī)元素分析儀(Thermo Flash 2000)直接測(cè)定, 電鏡掃描圖采用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(JEM-7500F)獲得。

土壤pH、有機(jī)碳、全氮、堿解氮、速效鉀、有效磷、陽(yáng)離子交換量參考土壤農(nóng)化常規(guī)分析法測(cè)定[27]。土壤HA、FA和HM以及生物質(zhì)炭堿提取酸不溶物(即類(lèi)胡敏酸)、堿提取酸溶物(即類(lèi)富里酸)和堿提取殘?jiān)?即類(lèi)胡敏素)采用腐殖質(zhì)組成修改法[28-29]分別提取, 提取的組分采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定碳含量, 具體操作參考Hua等[30]和趙世翔等[31]的方法。同時(shí)計(jì)算土壤有機(jī)碳中腐殖質(zhì)各組分碳比例(即HA、FA和HM的相對(duì)含量)以及HA與FA的比值(HA/FA), 計(jì)算公式為:

式中: HA、FA、HM分別指胡敏酸、富里酸、胡敏素的碳含量, SOC指土壤有機(jī)碳含量。HA色調(diào)系數(shù)(Δlg)采用722-E可見(jiàn)光分光光度計(jì)測(cè)定并通過(guò)計(jì)算得到, 具體操作參考趙世翔等[31]的方法。HA元素含量測(cè)定方法與生物質(zhì)炭元素測(cè)定方法相同。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)、繪制圖表, 采用SPSS 17.0軟件中的LSD檢驗(yàn)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)特征差異

圖1電鏡掃描圖顯示, 玉米秸稈生物質(zhì)炭具有高度多孔的管狀結(jié)構(gòu), 組織結(jié)構(gòu)較為疏松, 表面粗糙; 相比之下, 紫莖澤蘭生物質(zhì)炭孔隙較少, 組織結(jié)構(gòu)較為緊密, 表面光滑且具有不規(guī)則碎片。從表2可知, 玉米秸稈生物質(zhì)炭和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭的比表面積分別為2.32 m2×g-1和0.72 m2×g-1, 總孔體積分別為42.71 mm3×g-1和12.59 mm3×g-1, 說(shuō)明玉米生物質(zhì)炭吸附能力更強(qiáng); 玉米秸稈生物質(zhì)炭和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭的碳與氫元素摩爾比(C/H)分別為1.91和1.46, 氧與碳元素摩爾比[(O+S)/C]分別為0.09和0.16, 由于C/H和(O+S)/C分別同有機(jī)質(zhì)的縮合度和氧化度呈正比[32], 所以玉米秸稈生物質(zhì)炭有機(jī)質(zhì)的縮合度更大, 氧化度更小。

圖1 玉米秸稈生物質(zhì)炭(a)和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭(b)的電鏡掃描圖

表2 玉米秸稈生物質(zhì)炭和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭的比表面積、總孔體積及元素摩爾比

2.2 不同生物質(zhì)炭對(duì)土壤腐殖質(zhì)組分的影響

無(wú)論添加生物質(zhì)炭與否, 土壤HA(圖2a)和FA含量(圖2b)分別在第15 d和第7 d左右增加到最大值; HA/FA在培養(yǎng)初期(前7 d)降低(圖2d), 這說(shuō)明FA在培養(yǎng)初期的增加幅度大于HA。培養(yǎng)15 d后, FA和HA逐漸降低, HA/FA逐漸增加, 說(shuō)明FA在培養(yǎng)后期的降低幅度大于HA。添加兩種生物質(zhì)炭后土壤HA、FA和HM含量初始值均較CK顯著(<0.05)增加, 其中HA含量分別增加74.64%和44.90%, FA含量分別增加96.55%和66.01%, HM含量分別增加134.22%和106.59%。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)MB和EB處理土壤HA含量分別比CK高102.82%和65.59%, 為6.24 g×kg-1和5.09 g×kg-1; FA含量分別高118.54%和85.87%, 為3.30 g×kg-1和2.81 g×kg-1; HM含量分別高161.23%和137.25%, 為15.81 g×kg-1和14.36 g×kg-1, 且均達(dá)顯著差異水平。說(shuō)明添加生物質(zhì)炭能顯著增加土壤腐殖質(zhì)各組分含量, 且以玉米秸稈生物質(zhì)炭的增加效應(yīng)更明顯。CK、MB和EB處理土壤腐殖質(zhì)3組分總含量初始值分別為12.64 g×kg-1、26.80 g×kg-1和23.17 g×kg-1; CK土壤腐殖質(zhì)3組分總含量在培養(yǎng)過(guò)程中逐漸下降, MB、EB處理的變化不明顯; 培養(yǎng)結(jié)束后, CK、MB和EB處理土壤腐殖質(zhì)3組分總含量分別為10.64 g×kg-1、25.35 g×kg-1和22.26 g×kg-1。

2.3 不同生物質(zhì)炭對(duì)土壤腐殖質(zhì)組分碳比例的影響

土壤腐殖質(zhì)組分碳比例(相對(duì)含量)變化情況如表3所示, MB、EB處理土壤HA、FA相對(duì)含量初始值即低于CK, MB處理土壤HM相對(duì)含量初始值較CK顯著增加9.91%, 而EB與CK無(wú)顯著差異, 表明兩種生物質(zhì)炭中類(lèi)腐殖酸碳占比小于原始土壤腐殖酸碳占比, 玉米秸稈生物質(zhì)炭中類(lèi)胡敏素碳占比大于原始土壤胡敏素碳占比。培養(yǎng)結(jié)束后, MB、EB處理土壤HA相對(duì)含量分別較CK顯著降低13.53%、27.06%, FA相對(duì)含量分別降低6.81%、18.03%, 其中EB處理的降低效應(yīng)達(dá)顯著水平; 土壤HM相對(duì)含量分別增加11.40%、4.58%, 其中MB處理的增加效應(yīng)達(dá)顯著水平。

圖2 玉米秸稈生物質(zhì)炭和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭對(duì)土壤胡敏酸(HA)、富里酸(FA)、胡敏素(HM)含量和HA/FA的影響

CK: 不添加生物質(zhì)炭; MB: 添加玉米秸稈生物質(zhì)炭; EB: 添加紫莖澤蘭生物質(zhì)炭。CK: no biochar application; MB: maize straw biochar application; EB:biochar application.

表3 玉米秸稈生物質(zhì)炭和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭對(duì)土壤腐殖質(zhì)組分相對(duì)含量的影響

CK: 不添加生物質(zhì)炭; MB: 添加玉米秸稈生物質(zhì)炭; EB: 添加紫莖澤蘭生物質(zhì)炭。表中同列不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(<0.05)。CK: no biochar application; MB: maize straw biochar application; EB:biochar application. Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different treatments (<0.05).

2.4 不同生物質(zhì)炭對(duì)土壤胡敏酸色調(diào)系數(shù)和元素組成的影響

圖3表明, MB和EB處理的土壤HA的Δlg值變化趨勢(shì)相似, 都在第15 d左右增加到最大值。3種處理的Δlg初始值表現(xiàn)為EB

根據(jù)土壤HA元素組成的變化情況(表4)可知, 培養(yǎng)第1 d 3種處理土壤HA的C/H表現(xiàn)為EB>MB>CK, (O+S)/C表現(xiàn)為EB

圖3 玉米秸稈生物質(zhì)炭和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭對(duì)土壤胡敏酸色調(diào)系數(shù)(ΔlgK)的影響

CK: 不添加生物質(zhì)炭; MB: 添加玉米秸稈生物質(zhì)炭; EB: 添加紫莖澤蘭生物質(zhì)炭。CK: no application; MB: maize straw biochar application; EB:biochar application.

3 討論

3.1 兩種原料生物質(zhì)炭對(duì)土壤腐殖質(zhì)組成特征的影響及其原理

土壤腐殖質(zhì)不易被微生物降解, 在土壤固碳中起著重要作用[30]。本研究中添加兩種生物質(zhì)炭均能相對(duì)增加土壤腐殖質(zhì)含量。其原因一方面是試驗(yàn)中的兩種原料經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生了大量結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與土壤腐殖質(zhì)相似的類(lèi)腐殖質(zhì)(堿提取酸不溶物、堿提取酸溶物和堿提取殘?jiān)?, 吸附在生物質(zhì)炭表面進(jìn)入土壤[20]; 另一方面可能是生物質(zhì)炭含有不穩(wěn)定碳被土壤原生腐殖質(zhì)包被保護(hù), 提高了腐殖質(zhì)碳含量[33]。本研究還發(fā)現(xiàn), 玉米秸稈生物質(zhì)炭增加腐殖質(zhì)含量的效應(yīng)強(qiáng)于紫莖澤蘭生物質(zhì)炭。其原因一方面是玉米秸稈生物質(zhì)炭本身含有更多類(lèi)腐殖質(zhì); 另一方面是玉米秸稈生物質(zhì)炭含有的有機(jī)碳縮合度更大, 氧化度更小, 該類(lèi)結(jié)構(gòu)物質(zhì)更易被微生物利用轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)[14]。無(wú)論是否添加生物質(zhì)炭, 土壤HA、FA含量在培養(yǎng)前期快速增加, 其原因主要是培養(yǎng)試驗(yàn)為土壤微生物提供了充足的水源, 提高了土壤微生物的活性, 從而促進(jìn)了HA、FA的合成, 而生物質(zhì)炭的加入進(jìn)一步增強(qiáng)了微生物的生長(zhǎng)和繁殖, 加快了HA、FA的合成[20]。本研究中MB、EB處理土壤HA和FA含量在培養(yǎng)7 d內(nèi)持續(xù)增加, HA/FA值在第7 d降低到最小值, 說(shuō)明在培養(yǎng)7 d內(nèi)土壤FA的合成速度大于土壤HA的合成速度; 土壤FA含量在第7 d后持續(xù)降低, 土壤HA含量在培養(yǎng)15 d左右增加到最大值, 之后逐漸下降, HA/FA值逐漸增加, 說(shuō)明培養(yǎng)15 d后生物質(zhì)炭促進(jìn)土壤腐殖酸分解轉(zhuǎn)化, 并且促進(jìn)FA分解轉(zhuǎn)化的效應(yīng)更明顯, 而HM含量在15~90 d內(nèi)逐漸增加, 這一定程度上說(shuō)明土壤微生物先將生物質(zhì)炭碳源合成FA, 再進(jìn)一步縮合形成HA和HM(也存在HA和HM相互轉(zhuǎn)化以及碳源直接合成HA、HM的可能)[34]。

表4 玉米秸稈生物質(zhì)炭和紫莖澤蘭生物質(zhì)炭對(duì)土壤胡敏酸元素組成的影響

CK: 不添加生物質(zhì)炭; MB: 添加玉米秸稈生物質(zhì)炭; EB: 添加紫莖澤蘭生物質(zhì)炭。CK: no application; MB: maize straw biochar application; EB:biochar application.

土壤腐殖質(zhì)碳在土壤有機(jī)碳中的比例可以表征土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性[13]。MB、EB處理土壤腐殖質(zhì)3組分的總含量在培養(yǎng)期內(nèi)變化不明顯, 而CK土壤腐殖質(zhì)3組分的總含量呈下降趨勢(shì), 說(shuō)明生物質(zhì)炭限制了土壤腐殖質(zhì)總量降低, 提高了土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性, 這是由于生物質(zhì)炭增加了土壤粒間空隙, 減小了團(tuán)聚體粒徑, 使得部分腐殖質(zhì)更易和土壤小粒級(jí)顆粒結(jié)合形成穩(wěn)定的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合體, 從而抑制了這部分腐殖質(zhì)分解[35]。添加兩種生物質(zhì)炭均能降低土壤HA、FA相對(duì)含量, 其原因主要是兩種生物質(zhì)炭中類(lèi)腐殖酸的碳占比小于原始土壤腐殖酸的碳占比, 培養(yǎng)90 d后腐殖酸含量(MB處理為9.54 g×kg-1, EB處理為7.90 g×kg-1)較初始值(MB處理為9.98 g×kg-1, EB處理為8.34 g×kg-1)略有減少, 未達(dá)到顯著水平, 且均未改變其腐殖酸碳占比低于CK的狀態(tài)。培養(yǎng)結(jié)束后, MB處理土壤HM相對(duì)含量較CK顯著增加, 而土壤有機(jī)碳中腐殖質(zhì)3組分總碳占比(68.30%)高于CK(67.22%), 說(shuō)明玉米秸稈生物質(zhì)炭主要通過(guò)增加土壤惰性有機(jī)物HM相對(duì)含量來(lái)提高土壤穩(wěn)定有機(jī)碳的比例; EB處理土壤HM相對(duì)含量無(wú)顯著變化, 而土壤有機(jī)碳中腐殖質(zhì)3組分總碳占比(61.99%)顯著低于CK, 表明紫莖澤蘭生物炭增加了土壤易分解有機(jī)碳比例。由此推斷添加紫莖澤蘭生物質(zhì)炭雖在90 d培養(yǎng)期內(nèi)能限制土壤腐殖質(zhì)總量降低, 提高土壤有機(jī)碳的穩(wěn)定性, 但由于給土壤帶入了較多易分解有機(jī)碳, 可能不利于后期土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存。紫色土作為長(zhǎng)江上游山地丘陵地區(qū)最主要的耕地土壤資源, 其質(zhì)量嚴(yán)重退化, 目前存在有機(jī)碳損失量大、有機(jī)碳庫(kù)減小等問(wèn)題[36], 應(yīng)用玉米秸稈生物質(zhì)炭可在一定程度上限制紫色土腐殖質(zhì)總量降低, 增加穩(wěn)定有機(jī)碳占比, 提高紫色土有機(jī)碳穩(wěn)定性。

3.2 兩種原料生物質(zhì)炭對(duì)土壤胡敏酸結(jié)構(gòu)的影響及其原理

胡敏酸是土壤腐殖質(zhì)中的活躍物質(zhì)[14], 是腐殖質(zhì)品質(zhì)和穩(wěn)定性高低的主要代表[37]。本研究發(fā)現(xiàn), 兩種生物質(zhì)炭含有的類(lèi)胡敏酸(堿提取酸不溶物)縮合度大于土壤胡敏酸, 而氧化度小于土壤胡敏酸, 說(shuō)明添加生物質(zhì)炭會(huì)給土壤帶入比胡敏酸結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的類(lèi)胡敏酸, 其原因主要是本次試驗(yàn)生物質(zhì)炭的制備溫度高達(dá)600 ℃, 生物質(zhì)熱解過(guò)程中產(chǎn)生的類(lèi)胡敏酸在高溫條件下經(jīng)歷二次化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致其芳香化程度增加[38], 因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高。培養(yǎng)結(jié)束后, 與CK相比, MB、EB處理土壤HA的縮合度下降, 氧化度增加, 說(shuō)明生物質(zhì)炭降低了土壤HA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性, 導(dǎo)致HA穩(wěn)定性下降, 其原因主要是生物質(zhì)炭施入持續(xù)增強(qiáng)了微生物活性[39], 促進(jìn)了HA的合成, 新合成的HA含有較多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的脂族結(jié)構(gòu)[30]。由此推斷HM和FA組分對(duì)生物質(zhì)炭投入的響應(yīng)可能是產(chǎn)生限制土壤腐殖質(zhì)總量降低效果的主要原因, 這種響應(yīng)具體是什么尚需進(jìn)一步研究。

色調(diào)系數(shù)(Δlg)是表征腐殖酸光學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù), 其值越低, 說(shuō)明腐殖質(zhì)分子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜, 平均分子量越高[34]。在培養(yǎng)過(guò)程中, MB、EB處理土壤Δlg值均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì), 其原因可能是培養(yǎng)前期(0~15 d)新合成的土壤HA結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單, 隨著微生物作用, 新形成的土壤HA一部分被分解, 一部分相互縮聚或通過(guò)氫鍵相互聚合, 從而使保存下來(lái)的HA結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加[31]。本研究中, MB、EB處理Δlg值在增加階段和降低階段總體上大于CK, 說(shuō)明添加生物質(zhì)炭在培養(yǎng)前期(0~15 d)促進(jìn)了HA結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度降低, 在培養(yǎng)中后期(15~90 d)限制了HA結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增加。培養(yǎng)結(jié)束后, MB處理土壤HA結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度小于EB處理。其原因一方面是由于玉米秸稈生物炭帶入土壤的類(lèi)胡敏酸結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度小于紫莖澤蘭生物炭; 另一方面是由于玉米秸稈生物質(zhì)炭含碳量更高, 擁有較大孔徑的孔隙, 能為微生物提供充足的碳源和更良好的棲息場(chǎng)所, 從而提高了微生物的活性, 使微生物合成更多新胡敏酸[40], 這部分新胡敏酸未經(jīng)歷進(jìn)一步的聚合和縮聚, 因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較低[20]。

4 結(jié)論

1)兩種生物質(zhì)炭均能相對(duì)增加土壤腐殖質(zhì)各組分的含量, 纖維類(lèi)原料(玉米秸稈)生物質(zhì)炭的增加效應(yīng)更明顯; 施入纖維類(lèi)原料(玉米秸稈)生物質(zhì)炭主要通過(guò)顯著增加土壤HM相對(duì)含量來(lái)提高土壤中穩(wěn)定有機(jī)碳的比例; 施入木質(zhì)類(lèi)原料(紫莖澤蘭)生物質(zhì)炭顯著降低土壤HA和FA相對(duì)含量, 對(duì)HM相對(duì)含量的增加不顯著, 能提高土壤易分解有機(jī)碳比例。

2)兩種生物質(zhì)炭均能限制土壤腐殖質(zhì)總量降低, 但由于紫莖澤蘭生物質(zhì)炭給土壤帶入了較多易分解有機(jī)碳, 可能不利于后期土壤有機(jī)碳儲(chǔ)存。

3)新施入生物質(zhì)炭能提高土壤HA縮合度、降低其氧化度, 但因新合成HA的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度相對(duì)較低, 導(dǎo)致土壤HA縮合度逐漸降低、氧化度逐漸增加, 穩(wěn)定性下降, 該效應(yīng)在施入纖維類(lèi)原料(玉米秸稈)生物質(zhì)炭時(shí)更明顯。

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The effects of biochars on humus composition in acidic purplish soil*

ZHAO Hailan1, LI Bing1**, WANG Changquan1, LONG Sifan1, LI Bin2, XIAN Shunzhi1, ZENG Linhao1, XIAO Meijuan1, LIU Qixin1

(1. College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2. Sichuan Provincial Company of China National Tobacco Corporation, Chengdu 610041, China)

Biochar characteristics are similar to feedstock lignin and cellulose contents. Two kinds of biochar were produced from cellulosic (maize straw) and ligneous () feedstocks, respectively, to evaluate how lignocellulosic feedstock biochar influence the humus composition in acidic purplish soil. Acidic purplish soil was treated with 5% maize straw biochar (MB) or 5%biochar (EB) for 90 days, and the humic acid (HA), fulvic acid (FA), and humin (HM) contents, chemical elements, and HA color tonal coefficient were analyzed. The biochar specific surface areas were 2.32 m2×g?1(MB) and 0.72 m2×g?1(EB), and the total pore volumes were 42.71 mm3×g?1(MB) and 12.59 mm3×g?1(EB). The carbon to hydrogen molar ratios (C/H) were 1.91 (MB) and 1.46 (EB), and the oxygen and sulfur to carbon molar ratios [(O+S)/C] were 0.09 (MB) and 0.16 (EB), indicating that the MB had a stronger adsorption capacity, a higher organic matter, condensation degree, and a lower oxidation degree. Biochar application significantly increased the soil HA, FA, and HM contents (<0.05) compared to no application (CK). After 90 days, biochar amendment increased the HA content by 65.59%–102.82%, increased the FA content by 85.87%–118.54%, and increased the HM content by 137.25%–161.23%. The MB increased the humus composition contents more than EB, and both treatments reduced the soil HA/soil organic carbon (SOC) values by 13.53%–27.06% and the FA/SOC values by 6.81%–18.03% (EB treatment<0.05). Both treatments also increased the HM/SOC values by 4.58%–11.40% (MB treatment<0.05). Biochar amendment increased the HA color tonal coefficient (Δlg) degree by 2.40%–5.60%, reduced the C/H of HA by 3.51%–11.81%, and increased the (O+S)/C by 1.51%–8.74%. The biochar application increased the content of each humic component, reduced the C/H condensation degree, and improved the HA oxidation degree; the effect was more prominent when MB was applied. MB application significantly increased the proportion and stability of HM/SOC, but reduced the stability of HA [C/H decreased, (O+S)/C increased]. EB biochar significantly reduced the proportion of HA/SOC and FA/SOC, and had no effect on the proportion of HM/SOC, and increased the proportion of labile organic carbon.

Maize strawbiochar;biochar; Composition of humus; Stability of humus; Humus carbon

S156.2

10.13930/j.cnki.cjea.200277

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* 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0200704)、四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)重大前沿項(xiàng)目(2018JY0002)和四川省煙草公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目(SCYC201705, SCYC201803)資助

李冰, 主要研究方向?yàn)橥寥涝剡w移轉(zhuǎn)化與生物有效性。E-mail: benglee@163.com

趙海嵐, 主要研究方向?yàn)樯镔|(zhì)炭環(huán)境效應(yīng)。E-mail: zhlwills@163.com

2020-04-13

2020-09-16

* This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2018YFD0200704), the Applied Basic Research Programs of Sichuan Science and Technology Department (2018JY0002), and the Key Program of Sichuan Provincial Company of China National Tobacco Corporation (SCYC201705, SCYC201803).

, E-mail: benglee@163.com

Apr. 13, 2020;

Sep. 16, 2020